基于ATmega16单片机的甲烷检测系统研究

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本文讨论基于ATmega16单片机作为核心控制器件,辅以LCD显示控件、声光报警、红外收发器件等实现检测煤矿井下空气中甲烷含量。着重于系统的高性能、高运行速度、低功耗电路的研究。
[关键词] ATmega16 甲烷 声光报警 低功耗

一、    引言

瓦斯气体的主要成分是甲烷,甲烷是燃气能源的一种储备,也是煤炭开采中事故的隐患。瓦斯气体是一种可燃、可爆性气体,其引发的事故在矿山开采历史上造成了极大的危害。瓦斯燃烧、爆炸的发生要具备3个条件:(1)瓦斯浓度:瓦斯浓度在5%~16%爆炸。 (2)引火温度:温度在650~750℃之间;(3)充足的氧气:氧气浓度大于12%。一般地,在工作面前三角点的氧气浓度超过20%。因此,瓦斯浓度的准确检测便成为有效防止和避免因瓦斯浓度超限而引起瓦斯爆炸的关键问题。

检测甲烷的方法有很多种,如传热导法、红外光谱系数法、光干涉法、超声波测量法、气敏半导体法、热载体催化元件检测法等。现阶段国内甲烷传感器主要采用热载体催化元件检测法,这类元件采用了模块化设计,具有体积小,本质安全性高,稳定性好等特点。

二、    检测系统的设计

1、    检测系统的工作原理

本系统采用热催化型高性能传感器组成惠斯顿电桥,这种元件内部以铂丝为核心,外部以氧化铝为载体,载体上涂有催化剂,当铂丝通过一定的电流且元件处于含有甲烷的气体中时,表面会产生无焰燃烧,使铂丝阻值因温度增加而增加,桥路失去平衡,从而输出一个电位差该电位差在一定范围内,其大小与甲烷的浓度成正比。此信号进入微处理器经过ATmega16内部A/D转换、数据处理直接驱动LCD显示出被测甲烷的浓度,并实现声光报警。

2、    检测系统的硬件设计

    内置A/D电路的ATmega16是采用8051内核的8位单片机,属于高速混合信号系统级芯片。它能很好的满足甲烷检测系统的设计要求,所以系统采用它作为处理控制核心。图1是检测系统电路的组成原理框图。


图1 甲烷检测系统电路框图

下面就电路的各部分功能在下面展开具体的描述。

1)    ATmega16单片机介绍

ATmega系列单片机是Atmel公司近几年才推向市场的新一代高性能、低功耗、高集成化的8位微处理器,具有先进的RISC结构,大多数指令的执行时间为单个时钟周期。以下是ATmega16单片机的一些特性。

  • 支持JTAG端口仿真和编程,仿真效果比传统仿真更真实有效。
  • 8通道10位AD转换器,能够满足大部分测试系统的精度和分辨率的要求。支持单端和双端差分信号输入,内带增益可编程运算放大器。
  • 16K字节的FLASH存贮器,支持ISP、IAP编程,使系统开发生产维护更容易。
  • 多达1K字节的SRAM,32个通用寄存器三个数据指针使用C语言编程更容易。
  • 512字节的EEPROM存贮器,可以在系统掉电时保存您的重要数据。
  • 杰出的电气性能,超强的抗干扰能力每个IO口可负载40mA的电流,总电流不超过200mA。
  • 内置模拟量比较器 。
  • 可以用熔丝开启带独立振荡器的看门狗,看门狗溢出时间分8级可调。
  • 内置上电复位电路和可编程低电压检测(BOD)复位电路。
  • 工作电压4.5-5.5V,工作频率0-16MHZ。

2)    数据采集

采用热催化型高性能传感器组成惠斯顿电桥,测量臂由载件催化元件(俗称黑元件)和纯载元件(俗称白元件)组成,辅助臂由金属膜电阻和电位器组成,稳压电路为电桥提供稳定的电压。这种传感器的优点是:输出的电信号与瓦斯浓度成正比,灵敏度高。

3)    信号放大电路的设计   

信号放大电路采用将集成运算放大器LF347和集成模拟开关CD4066接成自动调零放大电路。此放大电路把宽范围的输入失调电压等级和低失调电压漂移、高输入阻抗、极低的功耗以及高增益组合在一起,提供了很高的失调电压稳定性。通过外围电路的配置,可实现达30倍左右的信号放大,完全满足对传感器传送过来的信号放大,便于ATmega16微处理器的A/D数据采集。

4)    LCD显示电路设计

液晶显示屏(LCD)具有轻薄短小,耗电量低,无辐射危险,平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势,可视面积大,画面效果好,分辨率高,抗干扰能力强和显示形式灵活等优点。此系统选用的是广州瑞通科技有限公司的SED1335图形点阵LCD模块,以液晶显示控制芯片ATmegal6的异步串行通信端USART为外部数据或控制指令的输入断口,用8个I/O引脚为液晶数据/指令线,用另外I/0端口的几根引脚为控制线,采用异步串行通信接收中断方式工作,当有数据输入时,进行识别然后控制液晶的显示。

5)    系统电源管理电路

最后,还需考虑电源的选择。选用的单片机是ATmega系列中的ATmega16,电源电压是5V。可以使用开关电源产生的5V直接供电,但这样最好把开关电源做在主控板上,传感器等需要另配电源。因此我们可以选用9V叠层电池通过低功耗DC-DC转换器LT1073-5线性稳压至5V后给单片机单独供电。

 
图2 电源电压转换电路

(6)红外遥控

选用红外发射器芯片为BA6121 – 001,能满足对瓦斯检测报警装置的参数作修改及操作相关指令的要求。将红外接收模块信号输出端直接接人ATmega16微处理器的INTl中断口,负脉冲触发中断,可使红外接收连接电路十分简单,硬件可靠性高。

四、   甲烷检测系统软件设计 

通过电路中预留的JTAG接口调试程序,依据检测系统的不同功能的需要,采用模块化的设计,将程序分成几个主要的功能模块:气体检测、工作电压设置、采样数据上传。


图3 检测系统单片机程序流程图

此软件还可以根据矿井具体情况的不同来设置阈值、显示保持时间和铃声保持时间,并通过特定的设计使得此瓦斯传感器能适应于不同的矿井,满足不同安全管理操作方便的需要。

参考文献:

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[4]苏长赞.红外线与超声波遥控.北京人民邮电出版,1993
[5]雷思孝,冯育长.单片机系统设计及工程应用.西安:西安电子科技大学出版社,2005.

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